Estágio realizado na CeNTI-Centro de Nanotecnologia e Materiais Técnicos, Funcionais e Inteligentes, e orientado pelo Doutor José Santos / Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2010

El Presente Trabajo de Título se enmarca dentro del proyecto de investigación Fondecyt Nº1080143 denominado “Effects of hydrophobic polypeptide tag fusion on protein purification by Hydrophobic Interaction Chromatography”, cuyo objetivo es determinar, cuantitativa y cualitativamente, el efecto de la fusión de polipéptidos hidrofóbicos en diferentes etapas del proceso de producción de proteínas recombinantes. Una de las etapas del proyecto, consiste en la optimización de las condiciones y el modo de operación del cultivo de Escherichia coli, que maximicen la productividad de cutinasas recombinantes. El microorganismo hospedero corresponde a Escherichia coliBL21 (DE3), cepa en la que se ha introducido el vector de expresión pET11a, el cual, bajo inducción, permite la producción de la proteína recombinante cutinasa a la que se han adicionado los aminoácidos triptófano(W), prolina(P) y tirosina(Y). Los polipéptidos hidrofóbicos adicionados son WPWP(Cutinasa-(WP)2) e YYY(Cutinasa-(Y)3). Las condiciones de cultivo en estudio, variables de entrada, corresponden a: temperatura de crecimiento y temperatura de inducción (25/18°C y 37/25°C), densidad celular en el punto de inducción (0,8 y 1,5 U Abs600nm ), concentración de inductor (0,1 y 0,5 mM IPTG); concentración de extracto de levadura (5 y 20 g/L), concentración de triptona (10 y 15 g/L) y concentración de glicerol (0 y 0,3 % v/v), en el medio de cultivo. Para realizar el estudio, se desarrolló un diseño experimental factorial fraccionario (26-2IV) que permite obtener información contundente respecto de los efectos principales de los factores (condiciones de cultivo) y sus interacciones (interacciones entre 2 factores) en cultivos batch en matraces. Se llevó a cabo la totalidad de experimentos establecidos en la malla de tratamientos, para las variantesCutinasa-(WP)2 y Cutinasa-(Y)3. Mediante un análisis estadístico de los resultados obtenidos se determinó la significancia de los factores y sus interacciones sobre la productividad y rendimiento (test ANOVA 95% nivel de significancia), se elaboró un modelo matemático lineal para estas variables en función de los factores e interacciones significativas y se determinaron las condiciones óptimas que maximizan la productividad y rendimiento para cada variante en particular, utilizando el modelo anteriormente nombrado. Los resultados obtenidos permitieron optimizar la producción de Cutinasa-(WP)2, sin inconvenientes, alcanzando una producción total de 28.870 [U Cutinasa-(WP)2/L] lo que equivale a 5,3 veces lo producido bajo las condiciones del caso base. El rendimiento optimizado fue 6,5 veces el rendimiento del caso base. Las condiciones óptimas de cultivo son: temperatura de crecimiento y temperatura de inducción, 37oC/25oC (Alto); densidad celular en el punto de inducción, 1,5 U Abs600nm(Alto); concentración de inductor, 0,1 mM IPTG (Bajo); concentración de extracto de levadura, 20 g/L (Alto); Concentración de triptona, 10 g/L (Bajo) y concentración de glicerol nula. El comportamiento errático de la variante Cutinasa-(Y)3 generó dificultades para modelar, predecir y optimizar la productividad y rendimiento de los cultivos. Se propone que las problemáticas de esta variante provienen de la cepa electrocompetente transfomada productora de Cutinasa-(Y)3. La comparación de los modos de operación en el fermentador Biostat B entregaron como resultado que el modo batch, para la variante Cutinasa-(WP)2, presentó mayor productividad específica total y rendimiento equivalentes a 2,5 y 1,4 veces la producción de fermentador operando en modo fed-batch con alimentación constante de nutrientes. En el caso de la variante Cutinasa-(Y)3, el modo de fermentación batch también fue el más favorable. Se concluye que todos los factores analizados tienen efectos significativos sobre la productividad y/o rendimiento de cutinasa recombinante en cultivos de E. coli BL21(DE3). Los factores e interacciones que poseen un efecto positivo y significativo sobre la productividad y/o rendimiento de ambas variantes corresponden a: densidad celular y sus interacciones con los factores temperatura de crecimiento e inducción y concentración de extracto de levadura. Los factores e interacciones que presentan efectos negativos y significativos sobre la productividad y/o rendimiento de ambas variantes son la concentración de inductor, concentración de triptona y la interacción concentración de glicerol-concentración extracto de levadura.

Yarrowia lipolytica a la particularité de pousser sur de nombreux substrats hydrophobes et de les métaboliser via la β-oxydation ou de les stocker dans des corps lipidiques. Le premier contact entre la cellule et les substrats hydrophobes se déroule sur la surface cellulaire. A cette étape, la composition de la paroi cellulaire en protéines, en β-glucane et en chitine pourrait jouer un rôle important sur l’adhésion et la prise en charge des substrats hydrophobes. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié l’effet d’une source de carbone hydrophobe (par rapport au glucose) et de la composition du milieu de culture sur la structure pariétale et la production de mélanine chez Y. lipolytica. Les résultats de nos analyses biochimiques et moléculaires ont montré que l’oléate de méthyle (un composé utilisé comme modèle de source de carbone hydrophobe) a induit des modifications au niveau de la paroi cellulaire et que ces modifications ont conduit ou non à l’adhésion de gouttelettes lipidiques à la surface cellulaire ; à une modification du contenu des composés pariétaux ; à la résistance des cellules à des composés toxiques ayant pour cible la paroi cellulaire ; et à la modification des profils d’expression de 27 gènes analysés codant des protéines de paroi cellulaire. L’identité des gènes surexprimés suggère la participation de leurs protéines dans l’intégrité de la paroi cellulaire, dans l’adhésion des gouttelettes lipidiques et dans la réponse au stress par l’oléate de méthyle et/ou le manque d’azote. Nos résultats ont aussi montré que la présence d’oléate de méthyle, huile de ricin et ricinoléate de méthyle a induit la production de DHN-mélanine chez une souche génétiquement modifiée de Y. lipolytica (MTLY40-2p) dont la β-oxydation est affectée / Yarrowia lipolytica can grow on many hydrophobic substrates and metabolize them via the β-oxidation pathway or store them into lipid bodies. The first contact between the cell and the hydrophobic substrates is by the cell wall. In this step, cell-wall proteins (CWP), β-glucane and chitin of the cell wall could play an important role for the adhesion and uptake of hydrophobic substrates. The aim of this work was to study the effect of a hydrophobic carbon source (compared with glucose) and the culture medium composition on the cell wall composition and the melanin production by Y. lipolytica. The results of our biochemical and molecular analysis showed that the presence of methyl oleate and the nutrients composition of the culture media have induced some modifications at the cell wall level. These modifications were linked with the adhesion or not of the lipid droplets to the cell surface; with a modified content of the cell wall components; with a resistance to compounds that are toxic for the cell wall, and with the modification of the expression patterns of 27 CWP genes analyzed in this work. The identity of the over-expressed CWP genes suggests the participation of their proteins in the cell wall integrity, in the adhesion of lipid droplets and in the stress response to methyl oleate and/or the nitrogen starvation. Our results have also shown that the presence of the lipids methyl oleate, castor oil and methyl ricinoleate induced the production of DHN-melanin by a mutant strain in which the β-oxidation is affected / Yarrowia lipolytica tiene la capacidad de crecer sobre numerosos substratos hidrofóbicos y demetabolizarlos a través de la β-oxidación o de almacenarlos en cuerpos lipídicos. El primercontacto entre la célula y los substratos hidrofóbicos se lleva a cabo mediante la pared celular.En esta etapa, la composición en proteínas, β-glucano y quitina de la pared celular podríajugar un papel importante en la adhesión y la toma de substratos hidrofóbicos. En el presentetrabajo se estudió el efecto de una fuente de carbono hidrofóbica (en comparación conglucosa) y la composición del medio de cultivo sobre la composición de la pared celular y laproducción de melanina en Y. lipolytica.Los resultados de nuestros análisis bioquímicos y moleculares mostraron que el oleato demetilo (un compuesto utilizado como fuente de carbono hidrofóbica) indujo modificacionesen la pared celular y estas modificaciones condujeron al aumento o la disminución de laadhesión de gotas lipídicas a la superficie celular; a la modificación del contenido de loscompuestos de la pared celular; a la resistencia de las células a compuestos tóxicos que tienencomo blanco la pared celular; y a la modificación del perfil de expresión de 27 genes quecodifican para proteínas putativas de la pared celular. La expresión de algunos de estos genesse indujo desde las primeras horas de cultivo en presencia de oleato de metilo. La identidad delos genes sobre-expresados sugiere la participación de sus proteínas en mecanismos como laintegridad de la pared celular, la adhesión de las gotas lipídicas a la superficie celular y larespuesta a estrés inducido por oleato de metilo y/o por la falta de nitrógeno en el medio.Nuestros resultados también mostraron que la presencia de oleato de metilo, de aceite dericino y de ricinoleato de metilo en el medio de cultivo, indujo la producción de un pigmentocafé en una cepa mutante de Y. lipolytica (MTLY40-2p) afectada en la β-oxidación. Ademásobservamos que el perfil espectroscópico la pared celular de la mutante MTYL40-2p, semodifica en función del substrato hidrofóbico presente en el medio de cultivo. Nuestrosresultados sugieren que el pigmento café es DHN-melanina y que la ausencia de peptona en elmedio de cultivo afecta la biosíntesis de esta melanina. A partir de un análisis in silicoproponemos los genes putativos para la biosíntesis de DHN-melanina en Y. lipolytica